Модифициране на Bluetooth стека за подобряване на звука на слушалки без AAC, aptX и LDAC кодеци

Преди да прочетете тази статия, препоръчваме ви да прочетете предишната статия: Аудио през Bluetooth: възможно най-много подробности за профили, кодеци и устройства

Някои потребители на безжични слушалки съобщават за лошо качество на звука и липса на високи честоти при използване на стандартния Bluetooth SBC кодек, който се поддържа от всички аудио устройства. Често срещана препоръка за подобряване на звука е да купувате устройства и слушалки, които поддържат aptX и LDAC кодеци. Тези кодеци изискват възнаграждения, така че устройствата, които ги поддържат, са по-скъпи.

Оказва се, че ниското качество на SBC се дължи на изкуствени ограничения на Bluetooth стекове и настройки на слушалките и това ограничение може да бъде заобиколено на всички съществуващи устройства чрез софтуерни промени на смартфона или компютъра.

SBC кодек

Кодекът SBC има много различни параметри, които се договарят по време на фазата на настройка на връзката. Между тях:

• Брой и вид на каналите: Joint Stereo, Stereo, Dual Channel, Mono;
• Брой честотни ленти: 4 или 8;
• Брой блокове в пакет: 4, 8, 12, 16;
• Алгоритъм за разпределение на битове за квантуване: Сила на звука, SNR;
• Максималната и минималната стойност на набора от битове, използвани при квантуване (bitpool): обикновено от 2 до 53.

Декодерът трябва да поддържа всяка комбинация от тези параметри. Енкодерът може да не реализира всичко.
Съществуващите стекове на Bluetooth обикновено са съгласни със следния профил: съвместно стерео, 8 ленти, 16 блока, сила на звука, битпул 2..53. Този профил кодира 44.1 kHz аудио при побитова скорост от 328 kbps.
Параметърът bitpool пряко влияе върху битрейта в рамките на един профил: колкото по-висок е, толкова по-висок е битрейтът, а оттам и качеството.
Въпреки това настройката на bitpool не е свързана с конкретен профил; други параметри също значително влияят на битрейта: типът на каналите, броят на честотните ленти, броят на блоковете. Можете да повишите битрейта индиректно, чрез договаряне на нестандартни профили, без да променяте битпула.

Формула за битрейт на SBC

Например режимът Dual Channel кодира каналите поотделно, като използва целия битпул за всеки канал. Принуждавайки устройството да използва Dual Channel вместо Joint Stereo, ние получаваме почти двойно по-голям битрейт със същата максимална стойност на bitpool от 617 kbps.
Според мен използването на непрофилна стойност на bitpool на етапа на договаряне е недостатък в стандарта A2DP, което доведе до изкуствено ограничаване на качеството на SBC. Би било по-разумно да се договори битрейт, а не битпул.

Тези фиксирани стойности на Bitpool и Bitrate произлизат от таблица с препоръчителни стойности за висококачествено аудио. Но препоръката не е причина да се ограничавате до тези стойности.

Спецификацията A2DP v1.2, която беше активна от 2007 до 2015 г., изисква всички декодери да работят правилно с побитови скорости до 512 kbps:

Декодерът на SNK поддържа всички възможни битови стойности, които не водят до превишаване на максималната битова скорост. Този профил ограничава наличната максимална битрейт до 320kb/s за моно и 512kb/s за двуканални режими.

В новата версия на спецификацията няма ограничение за битрейт. Предполага се, че модерните слушалки, пуснати след 2015 г. и поддържащи EDR, могат да поддържат битрейт до ≈730 kbps.

По някаква причина Bluetooth стековете на Linux (PulseAudio), Android, Blackberry и macOS, които тествах, имат изкуствени ограничения за максималната стойност на параметъра bitpool, което пряко влияе върху максималния битрейт. Но това не е най-големият проблем, почти всички слушалки също ограничават максималната стойност на битпула до 53.
Както вече видях, повечето устройства работят добре на модифициран Bluetooth стек с побитова скорост от 551 kbps, без прекъсвания и треска. Но такъв битрейт никога няма да бъде договорен при нормални условия, на обикновени Bluetooth стекове.

Промяна на Bluetooth стека

Във всеки Bluetooth стек, който е съвместим със стандарта A2DP, има поддръжка за двуканален режим, но не е възможно да се активира от интерфейса.

Нека добавим превключвател към интерфейса! Направих корекции за Android 8.1 и Android 9, които добавят пълна поддръжка на двоен канал към стека, добавят режим към менюто за превключване на режима в инструментите за разработчици и третират SBC с активиран двоен канал, сякаш са допълнителен кодек като aptX, AAC или LDAC (Android го нарича HD Audio), като добавите отметка към Bluetooth настройките на устройството. Ето как изглежда:

Пач за Android 9
Пач за Android 8.1

Когато квадратчето за отметка е активирано, Bluetooth аудиото започва да се предава с побитова скорост 551 kbps, ако слушалките поддържат 3 Mbps връзка, или 452 kbpsако слушалките поддържат само 2 Mbps.

Тази корекция е включена в следния алтернативен фърмуер:

• LineageOS
• Възкресение Ремикс
• crDroid

Откъде идват 551 и 452 kbps?

Технологията за разделяне на въздуха в Bluetooth е проектирана за ефективно предаване на големи пакети с фиксиран размер. Прехвърлянето на данни се извършва в слотове, като най-големият брой слотове, изпратени в едно прехвърляне, е 5. Има също режими на трансфер, които използват 1 или 3 слота, но не 2 или 4. До 5 байта могат да бъдат прехвърлени в 679 слота при скорост на връзката от 2 Mbps и до 1021 байта при скорост 3 Mbps, а в 3 - съответно 367 и 552 байта.

Ако искаме да прехвърлим по-малко данни от 679 или 1021 байта, но повече от 367 или 552 байта, тогава прехвърлянето пак ще отнеме 5 слота и данните ще бъдат прехвърлени за същото време, което намалява ефективността на трансфера.

SBC в двуканален режим, при 44100 Hz аудио с Bitpool 38 параметъра, 16 блока на кадър, 8 честотни ленти, кодира аудио в 164 байтови кадъра, с побитова скорост от 452 kbps.
Аудиото трябва да бъде капсулирано в протоколите за прехвърляне L2CAP и AVDTP, които отнемат 16 байта от аудиото.

Така в едно Bluetooth предаване с 5 слота е възможно да се поберат 4 аудио кадъра:

679 (EDR 2 mbit/s DH5) - 4 (L2CAP) - 12 (AVDTP/RTP) - 1 (заголовок SBC) - (164*4) = 6

Побираме 11.7 ms аудио данни в пакет за изпращане, който ще бъде предаден за 3.75 ms, и имаме 6 неизползвани байта, останали в пакета.
Ако леко увеличите битпула, 4 аудио кадъра вече не могат да бъдат пакетирани в един пакет. Трябва да изпратите 3 кадъра наведнъж, което намалява ефективността на предаване, намалява количеството аудио, предавано на кадър, и ще доведе до по-бързо заекване на звука при лоши радио условия.

По същия начин е избран битрейт от 551 kbps за EDR 3 Mbps: с Bitpool 47, 16 блока на кадър, 8 честотни ленти, се получава размер на рамката 200 байта, с битрейт 551 kbps. Един пакет съдържа 5 кадъра или 14.6 ms музика.

Алгоритъмът за изчисляване на всички параметри на SBC е доста сложен, лесно можете да се объркате, ако броите ръчно, затова направих интерактивен калкулатор, за да помогна на тези, които се интересуват: btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-bitrate-calculator

Защо е необходимо всичко това?

Противно на общоприетото схващане за качеството на звука на кодека aptX, при някои файлове той може да даде по-лоши резултати от SBC със стандартен битрейт от 328 kbps.

SBC динамично разпределя битове за квантуване към честотните ленти по начин отдолу нагоре. Ако целият битрейт е бил използван за долните и средните честоти, горните честоти ще бъдат „отрязани“ (вместо това ще има тишина).
aptX квантува честотните ленти с един и същ брой битове през цялото време, поради което има постоянен битрейт: 352 kbps за 44.1 kHz, 384 kbps за 48 kHz и не може да „транслира битове“ към онези честоти, които се нуждаят от тях. повечето. За разлика от SBC, aptX няма да "реже" честотите, но ще добави квантуващ шум към тях, намалявайки динамичния обхват на звука и понякога въвеждайки характерни пукания. SBC, от друга страна, „яде детайли“ - изхвърля най-тихите зони.
Средно, в сравнение със SBC 328k, aptX въвежда по-малко изкривяване при музика с широк диапазон, но при музика с тесен диапазон и висок динамичен диапазон SBC 328k понякога печели.

Нека разгледаме частен случай. Спектрограма на запис на пиано:

Основната енергия е в честоти от 0 до 4 kHz и продължава до 10 kHz.
Спектрограмата на файл, компресиран с aptX, изглежда така:

Ето как изглежда SBC 328k.

Може да се види, че SBC 328k периодично напълно изключва диапазона над 16 kHz и изразходва целия наличен битрейт в диапазони под тази стойност. Въпреки това, aptX въведе повече изкривяване в честотния спектър, чуваем от човешкото ухо, което може да се види в извадената оригинална спектрограма от aptX спектрограмата (колкото по-ярко, толкова повече изкривяване):

Докато SBC 328k развали сигнала по-малко в диапазона от 0 до 10 kHz и отряза останалото:

Битрейтът от 485k SBC беше достатъчен, за да запази целия честотен диапазон, без да прекъсва лентите.

SBC 485k в тази композиция е доста по-напред от aptX в диапазона 0-15 kHz и с по-малка, но все пак забележима разлика - в 15-22 kHz (колкото по-тъмно, толкова по-малко изкривяване):

Архив на оригинално аудио, SBC и aptX.

Като преминете към SBC с висок битрейт, ще получите аудио, което често превъзхожда aptX на всякакви слушалки. На слушалки, които поддържат 3 Mbps EDR връзка, 551 kbps произвежда звук, сравним с aptX HD.

А може би дори повече?

Пачът за Android също има опция за допълнително увеличаване на битрейта за 2Mbps EDR устройства. Възможно е да се увеличи скоростта на предаване от 452 kbps на 595 kbps, с цената на намалена стабилност на предаване при трудни радио условия.
Достатъчно е да зададете променливата persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate на 1:

# setprop persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 1

Корекцията за екстремен битрейт се приема само в LineageOS 15.1, но не и в 16.0.

Съвместимост на устройствата

SBC Dual Channel се поддържа от почти всички слушалки, високоговорители и главни устройства за автомобили. Това не е изненадващо - стандартът предписва поддръжката му във всякакви декодиращи устройства. Има малък брой устройства, на които този режим създава проблеми, но това са единични случаи.
За повече информация относно съвместими устройства вижте 4pda или XDA-Developers.

Сравнение на звуковите разлики

Направих уеб услуга, която кодира аудио в SBC (както и aptX и aptX HD) в реално време, направо в браузъра. С него можете да сравнявате звука на различни SBC профили и други кодеци, без всъщност да предавате аудио през Bluetooth, на всякакви кабелни слушалки, високоговорители и любимата си музика, както и да променяте параметрите на кодиране направо по време на аудио възпроизвеждане.
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder

Свържете се с разработчиците на Android

Писах на много разработчици на Bluetooth стекове в Google, молейки ги да обмислят включването на корекции в основния клон на Android - AOSP, но не получих нито един отговор. Пачовете ми са вътре Система за корекции Gerrit за Android също остана без коментар от всички замесени.
Ще се радвам, ако мога да получа помощ във връзка с разработчиците от Google и внедряването на SBC HD в Android. Корекцията в gerrit е остаряла (това е една от ранните ревизии) и ще го актуализирам, ако разработчиците се интересуват от моите промени (не ми е лесно да го актуализирам, нямам устройства, съвместими с Android Q).

Заключение

Потребителите на смартфони с LineageOS, Resurrection Remix и crDroid фърмуер могат да се насладят на подобрено качество на звука точно сега, просто активирайте опцията в настройките на Bluetooth устройството. Потребителите на Linux също могат да получат увеличен битрейт на SBC чрез инсталиране кръпка от Pali Rohar, който добавя поддръжка за кодеците aptX, aptX HD и FastStream, наред с други неща.

Източник: www.habr.com